4 ВВЕДЕНИЕ
Изучение взаимосвязи и динамики элементов климата и водного баланса
и"г крупных регионов, оценка их изменчивости под влиянием естественных и
антропогенных факторов представляет собой сложную научную задачу и имеет
важное практическое значение для охраны водных объектов и их рационального
использования.
Двойственная естественно-общественная сущность водных ресурсов, по Л. М. Корытному (1994), проявляется в том, что, с одной стороны, они выступают одним из важнейших элементов производительных сил (природные воды используются как сырье, технологическая и транспортирующая среда, энергоноситель); с другой стороны, вода является непременным и органичным компонентом природной среды, во взаимодействии с другими компонентами определяет динамику и качество среды, создает природные ландшафты, составляет основу живой материи. Основу функционирования многоотраслевого экономического комплекса Республики Карелия составляют полезные ископаемые, лесные и водные ресурсы. Поверхностные водные объекты являются основными источниками водоснабжения. Использование озер и рек в качестве приемников сточных вод с различным характером и степенью загрязнения является основным антропогенным фактором качественного изменения водных экосистем Карелии. Внутри- и межгодовая изменчивость режима природных вод, таким образом, во многом определяет как социально-экономический аспект использования водных ресурсов, так и тот естественный фон, на котором функционируют водные экосистемы.
5
Речной сток рассматривается как один из элементов системы регионального климата и водного баланса, поэтому наиболее рациональный подход к установлению закономерностей его колебаний во времени основан на исследовании изменчивости всех основных элементов системы с учетом их генезиса и пространственно-временной связанности. По К. П. Воскресенскому (1972), "математической моделью гидрологического цикла является уравнение водного баланса, выражающее общую закономерность накопления и расходования влаги в бассейне".
Особое место в этой проблеме занимает разработка методов оценки возможных в блихсайшем будущем изменений водного баланса территории при различных сценариях изменения климата и оценка экологических последствий таких изменений.
Объектом данного исследования является водный баланс административного района, а предметом — многолетние колебания элементов водного баланса и основных климатических факторов их формирования для территории Республики Карелия в ее административных границах.
11ель исследования - установить закономерности многолетних колебаний основных составляющих водного баланса территории Карелии за период инструментальных наблюдений и разработать методы оценки их возможных изменений в перспективе.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- сформировать непрерывные ряды годовых осадков, речного стока и температуры воздуха в целом для территории Карелии за период максимально возможной продолжительности;
- оценить применимость известных методов для расчета испаряемости и испарения, уточнить их для исследуемой территории и получить расчетным путем хронологические ряды испаряемости и суммарного испарения для исследуемой территории;
- разработать методы корректировки измеренных осадков и уравнивания водного баланса региона;
- выявить и статистически оценить детерминированные тенденции в ходе сформированных рядов, их квазипериодические компоненты и случайные составляющие, установить взаимосвязь и согласованность колебаний
v"!" основных климатических характеристик и составляющих водного баланса;
- разработать схему стыковки моделей глобального климата (МГК) и модели регионального водного баланса, выбрать и обосновать критерии адекватности МГК, выполнить оценку возможных изменений элементов водного баланса территории при различных сценариях изменения
f т^ глобального климата.
В соответствие с задачами определились основные методы исследования -метод водного баланса и метод вероятностно-статистического анализа временных рядов. Для решения отдельных задач привлекались элементы* кластерного и дисперсионного анализа, а также методы математического . моделирования временных рядов.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
- разработан и впервые применен для территории Карелии метод уравнивания водного баланса для скользящих 15-летий с одновременной корректировкой измеренных осадков и расчетом суммарного испарения;
7
- предложена эмпирическая формула для расчета испаряемости за годовые и многолетние интервалы времени для водосборов Карелии и Северо-Запада России, а также для Кольского полуострова;
- установлена нелинейная зависимость выборочных коэффициентов вариации годовой температуры воздуха и речного стока от соответствующих норм; выявлены особенности флуктуации гидрометеорологических рядов в различные фазы квазициклических колебаний;
- установлено, что для условий избыточного увлажнения ведущим климатическим фактором, определяющим знак и величину аккумуляционной
ф .
. составляющей водного баланса водосборов, является температура
приземного воздуха, впервые для территории Карелии в целом получено уравнение связи годовой аккумуляции с температурой воздуха и осадками;
- разработан и апробирован для территории Карелии способ стыковки данных моделей глобального климата и модели регионального водного баланса.
' г' Полученные результаты будут использованы для оптимизации мониторинга
регионального климата и гидрологического режима; как информационная и методическая основа для построения комплексных моделей природных экосистем, а также для проверки адеквагности и сравнения результатов численных . экспериментов различных моделей глобального и регионального климата.
Предложенное уравнение связи испаряемости и температуры воздуха может быть использовано как региональная формула для уточнения годовых и многолетних значений испаряемости и суммарного испарения, их расчета для неизученных водосборов, уточнения карт норм основных составляющих водного баланса региона.
8
Основные результаты получены автором в рамках научно-исследовательских тем, выполняемых в Институте водных проблем Севера Карельского научного центра РАН (ИВПС КарНЦ РАН), а также при выполнении исследований по проектам Российского фонда фундаментальных исследований и по грантам INTAS 91-1211 "Detection and Modelling of Greenhouse Warming in the Arctic and sub-Arctic"( 1998-2000 гг.) и INTAS 00-614 "Development of an information system for high latitude climate data, analysis and numerical simulations of climate change -Climate Data Access System (CLIMAS)" (2002-2003 гг.).
Достоверность результатов работы обоснована использованием современных методов анализа данных и привлечением большого объема данных стандартных наблюдений. Информационную основу исследований составили результаты инструментальных наблюдений на сети станций и постов Северо-Западного межрегионального территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Росгидромета, ведомственных постов, а также государственной системы гидрометеорологических наблюдений Финляндии. Использование данных по моделированию климата стало возможным благодаря численным экспериментам на модели ЕСНАМ4, выполненным проф. Л. Бенгтссоном (Метеорологический институт Макса Планка, Германия) и к. ф.-м. н. С. И. Кузьминой (Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена, Санкт-Петербург).
Результаты исследований по теме диссертации были представлены на 8 научных конференциях, в том числе международных: «Финно-угорский мир: состояние природы и региональная стратегия охраны окружающей среды» (Сыктывкар, 1997 г.); «Поморье в Баренц-регионе: экология, экономика, культура» (Архангельск,
9 2000 г.; в соавторстве с Л. Е. Назаровой), «Управление северными речными
бассейнами» (Финляндия, Оулу, 2001 г.; в соавторстве с Н. Н. Филатовым и Л. Е. Назаровой), на XIII международном симпозиуме «Северные исследовательские водосборы» (Финляндия, Саариселькя, 2001 г.; в соавторстве с Н. Н. Филатовым, А. В. Семеновым и Л. Е. Назаровой), на IV международном Ладожском симпозиуме (Новгород, 2002 г.). Основные положения и результаты исследования докладывались на заседании Президиума Карельского НЦ РАН (2001 г.), на заседании кафедры гидрологии суши РГГМУ (2003 г.), а также на заседаниях Ученого совета ИВПС КарНЦ РАН в 1999-2003 гг.
По результатам исследований опубликовано 8 научных статей, в основном в соавторстве с д. г. н., проф. Н. Н. Филатовым и гл. гидрологом Л. Е. Назаровой (ИВПС КарНЦ РАН). Личный вклад автора состоял в освещении вопросов, непосредственно связанных с решением поставленных в диссертации задач.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений; изложена на 132 страницах, включает 24 рисунка, 12 таблиц, 8 приложений и библиографический список использованной литературы из 109 наименований.
10
Глава 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРРИТОРИИ КАРЕЛИИ
1.1. Геологическое строение, рельеф, почвенный и растительный покров
Территория Республики Карелия расположена на северо-западе Европейской части России между 61-67° с. ш. и 30-38° в. д. Протяженность территории с севера
т
^^ на юг 660 км, с запада на восток на широте г. Кемь достигает 424 км. Площадь республики в административных границах равна 172 400 км2.
В геологическом отношении территория Карелии представляет собой юго-восточную окраину Балтийского (Фенноскандинавского) кристаллического щита и имеет сложное слоисто-блоковое строение. На исследуемой территории выделяют три основных геоблока (Беломорский, Карельский и Ладожский) (Поленов, 1987). Основные особенности рельефа и четвертичного покрова мощностью от 0 до 130 м (в среднем по территории 10 м) определяются формой поверхности кристаллического фундамента и характером аккумуляции четвертичных отложений. Четвертичный покров имеет крайне неоднородное строение, обусловленное, с одной стороны, различной мощностью осадков, а с другой - их неравномерным распределением по площади и различием состава отдельных генетических типов четвертичных образований. Ледниковые отложения слагают моренные равнины (мощностью до 30 м), краевые ледниковые образования (до 25 м) и островные ледниковые возвышенности (наиболее крупные скопления
11
четвертичных отложений при мощности местами до сотен метров). Флювиогляциальные отложения образуют массивы площадью до сотен квадратных километров и формируют дельты и конусы выноса, долины магистрального стока, озовые гряды. Широкое распространение имеют озерно-ледниковые отложения, которые приурочены к понижениям рельефа, долинам крупных рек и береговой линии крупных озер. Основное влияние на формирование современного рельефа Карелии оказало последнее мощное материковое оледенение - Валдайское, закончившееся только 10-11 тыс. лет назад. Деятельность ледника придала особый облик доледниковому рельефу, в понижениях образовались котловины Ладожского, Онежского и других озер, Белого моря, в трещинах и тектонических разломах сформировались речные долины. Современный грядово-холмистый рельеф территории является чрезвычайно расчлененным, с преобладающими высотами местности 100-200 м над уровнем моря. Наивысшая отметка составляет 577 м (г. Нуорунен на крайнем северо-западе республики). Наиболее возвышенные участки располагаются на северо-западной и западной окраине республики (хребет Маанселька и Западно-Карельская возвышенность). От них по направлению к основным базисам эрозии местность понижается до 5-20 ( на побережье Белого моря и Ладожского озера) и 40-60 м (в районе Онежского озера). На севере территории расположено обширное приподнятое озерное плато, на котором находится несколько относительно крупных (Ковд-озеро, Топ-озеро, i Пяозеро; Верхнее Среднее и Нижнее Куйто) и множество мелких озер. В северо-восточной части Онежско-Беломорского водораздела протягивается северо-западная часть кряжа Ветренный Пояс с отдельными возвышенностями до 250 м. Своеобразным рельефом отличается Заонежский сельговый район, прилегающий к северному
12
побережью Онежского озера. Основной его чертой является частое чередование узких и длинных гряд с высотами до 100 м, сложенных преимущественно дочетвертичными породами, и узких понижений, заполненных озерами и заливами Онежского озера.
Генетический и механический состав почв Карелии определяется характером почвообразующих пород, геоморфологией и гидрогеологическими условиями. Преимущественное распространение имеют подзолы, развитые на песчаной морене, флювиогляциальных, озерно-ледниковых и ледниковых песках (Поленов, 1987). На Онежско-Ладожском водоразделе развиты слабоподзолистые почвы на суглинке и супеси. Болотными и болотно-подзолистыми почвами заняты очень большие пространства в понижениях рельефа, на равнинных участках и по берегам водоемов.
Исследуемая территория относится к северо-восточной подзоне европейской тайги. По типологическому принципу с учетом геолого-геоморфологических параметров, критериев коренной формации и степени заболоченности на территории Карелии выделено 20 типов ландшафта, в том числе 16 в подзоне средней тайги и 12 - в северной (Коломыцев, Преснухин, 2000). Господствующим ¦ типом растительности являются леса, залесенность территории в среднем составляет 49 %. Более половины лесов состоят из сосны, около трети — из ели, на долю лиственных пород приходится около 10 % территории, покрытой лесом. : Болотами занято 3,6 млн. га, площадь заболоченных лесов составляет 1,8 млн. га. Заболоченность карельской части бассейна Белого моря равна 28 %, бассейнов Онежского и Ладожского озер — 15 и 10 % соответственно; в целом для территории Карелии заболоченность равна 23 % (Нестеренко, Карпечко и др., 1996).
13
1.2. Климат
По генетической классификации Б. П. Алисова (1969) исследуемая территория относится к западному району атлантико-арктической зоны умеренного пояса. Основные черты климата Карелии обусловлены географическим положением и связанным с этим количеством поступающей солнечной радиации, преобладанием западного переноса воздушных масс атлантического и арктического происхождения, географической близостью Баренцева, Белого и Балтийского ^^ морей. В целом климат Карелии умеренно континентальный с чертами морского. В течение года преобладает интенсивная циклоническая деятельность (прохождение циклонов наблюдается в течение 215-235 дней в году, в ноябре и декабре - до 22-26 дней (Карельская АССР..., 1986). Большая лесистость территории, обилие болот и озер, всхолмленный рельеф местности — эти местные f*w климатические факторы, которые определяют значительную изменчивость метеорологических элементов даже на небольших расстояниях.
Географическое положение Карелии в значительной степени определяет количество поступающей солнечной энергии и тепловой баланс территории. По оценкам Л. Е. Назаровой (2000) годовой приход прямой солнечной радиации на . горизонтальную поверхность при ясном небе составляет от 3800 на севере до 4600 МДж/м2 на юге, сумма рассеянной радиации составляет соответственно 960 и 1130 МДж/м2 в год. Наибольшее количество суммарной радиации приходится на июнь (540-630 МДж/м2), наименьшие - на декабрь (25-30 МДж/м2 на юге, уменьшаясь к
14
северу до нуля). Радиационный баланс для года положительный (1170-1340 МДж/м2)
Норма годовой температуры воздуха повышается от 0 на севере до 3-4 °С на ™ юге. Январь является самым холодным на всей территории (-9-13 °С), вблизи крупных водных объектов и на островах Ладожского и Онежского озер февраль холоднее января на 0,2-0,5 °С. Самый теплый месяц - июль, среднемноголетняя температура которого равна 14-15 (на севере) и 16-17 °С (в центральной части и на юге). Абсолютный минимум и максимум температуры воздуха равны соответственно -54 (Олонец, январь 1940 г) и +36 °С (Пудож, июль 1972 г).
Переход средней суточной температуры воздуха через 0 °С (начало весны) происходит во второй-третьей декаде апреля, полное очищение от снега обычно происходит в конце апреля - начале мая, однако в северных районах в отдельные годы снежный покров может сохраняться до третьей декады мая. Характерны возвраты холодной погоды, нарушающие общий ход весны и на некоторое время приостанавливающие вегетацию большинства растений. На севере заморозки до -2 °С встречаются иногда до 20 июня, а в южных районах, на торфяниках и в низинах -до 12 июня.
Летний сезон продолжительностью 2,5-3,5 месяца наступает на юге Карелии в конце мая - середине июня, на севере - со второй половины июня. Переход среднесуточной температуры выше 10 °С происходит в конце мая на юге и в первой половине июня - на севере территории, начинается период активной вегетации растительности продолжительностью в среднем 75-115 дней, а в отдельные годы от 43 до 132 дней. Сумма летних температур выше 10 °С составляет 900-1600 °С, уменьшаясь с юга на север.
15
Непродолжительная осень наступает на севере уже в последних числах августа, а на юге - в середине сентября, с довольно резким переходом среднесуточной температуры через 10 °С в сторону отрицательных. В связи со сменой летнего типа циркуляции на зимний преобладают юго-западные и западные потоки воздуха. Осень является и дождливым периодом, в годовом ходе наблюдается второй максимум осадков. Относительная влажность воздуха возрастает до 80-90 %. Уже в первой половине сентября начинаются заморозки.
Продолжительная и довольно прохладная зима (115-135 дней со •^ среднесуточной температурой ниже -5 °С) начинается во второй декаде ноября, когда средняя суточная температура воздуха устойчиво переходит через 0 °С в сторону отрицательных значений. С первых чисел ноября температура воздуха быстро понижается, а со второй половины месяца в Карелии повсеместно устанавливается снежный покров.
Наиболее существенное влияние на гидрологический режим и водный баланс как территории в целом, так и отдельных водных объектов и водосборов оказывают атмосферные осадки. Территория Карелии относится к зоне избыточного увлажнения, и годовое количество измеренных осадков составляет от 550 до 750 мм, увеличиваясь с севера на юг. На крайнем северо-востоке вдоль побережья Белого моря, а также на подветренных склонах годовая сумма осадков составляет 450-500 мм. По оценкам Ц. А. Швер (1984), значения нормы осадков, исправленные принятыми видами поправок, изменяются в пределах Карелии от 600 до 800 мм. В отдельные годы количество осадков существенно отличается от среднемноголетних значений: в сухие годы выпадает 350-450, а в очень влажные -до 900 мм. Внутригодовое распределение осадков неравномерно, наибольшее их
16
количество выпадает в июле-августе, наименьшее - обычно в марте. До 70 % осадков выпадает в теплый период года.
Вследствие преобладания циклонической погоды среднегодовое атмосферное
ш
^ давление на всей территории Карелии несколько ниже нормального: 997-1000 в северных районах и 1005-1011 ГПа - на юге. Наибольшие перепады атмосферного давления в течение суток отмечаются зимой и осенью, наименьшие - летом. Во внутригодовом ходе самое высокое давление наблюдается обычно в январе (до 1050 ГПа), наименьшее - в декабре (945 ГПа).
Относительная влажность воздуха в среднем за год довольно высокая (78-84 %). Лётом она несколько меньше (65-80 %), осенью и зимой возрастает до 85-95 %. Число дней с относительной влажностью более 80 % в среднем за год составляет 150-170 дней, а менее 30 % - лишь 3-9 дней.
На режим облачности большое влияние оказывают водоемы, прежде всего -крупные, а также Белое море. Среднегодовые величины общей облачности - 7-8 баллов, наибольшие наблюдаются в осенний период. Самый пасмурный месяц -ноябрь (более 24 облачных дней и общая облачность 8,8-9,2 балла). Весной и летом число пасмурных дней снижается до 15-20, а облачность в марте - июле не превышает 6,5 баллов.. В целом по Карелии преобладание пасмурной погоды приводит к снижению продолжительности солнечного сияния до 34-37 % возможного. В среднем за год число отмечается 120-140 дней без солнца, а продолжительность солнечного сияния составляет 1560-1750 часов, увеличиваясь с севера на юг.
Вследствие невысоких летних температур, большой облачности, повышенной влажности исследуемая территория является зоной относительно малого
17
суммарного испарения. В условиях Карелии на эту составляющую водного баланса затрачивается 50-60 % выпадающих осадков, остальная часть идет на формирование речного стока. Рассчитанная по методу А. Р. Константинова норма годового испарения с поверхности речных водосборов изменяется от 310-340 мм на севере (водосбор р. Ковда и Кемь) до 380-400 мм в Приладожье и на водосборе Онежского озера (Ресурсы..., 1972; Литвиненко, 1999). В ноябре-январе испарение составляет 0-0,2 % от годовой суммы, тогда как в июне-августе испаряется почти 60 % влаги.
1.3. Гидрография и водные ресурсы
Водные объекты, формирующие гидрографическую сеть Карелии, относятся к бассейнам Белого (57 % территории республики) и Балтийского (43 %) морей и распределены по территории неравномерно. Беломорско-Балтийский водораздел одновременно является частью контура главного водораздела Атлантического и Северного Ледовитого океанов. На крайнем юго-востоке территории незначительная площадь (21,6 км2) принадлежит бассейну р. Волга.
Основными природными факторами, определившими характерные черты гидрографической сети, являются:
-геологическая молодость сети, неглубокое залегание кристаллических пород и малая мощность рыхлых четвертичных отложений;
- близость главного водораздела к основным базисам эрозии;
-расчлененный рельеф ледникового происхождения и множество заполненных водой тектонических нарушений; |
